基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能門鎖控制系統(tǒng)設(shè)計

摘? 要：為了增強門鎖的安全性，在傳統(tǒng)門鎖的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能門鎖控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC8單片機為核心，擴展了關(guān)門檢測、步進電機、藍牙和Wi-Fi無線接口，實現(xiàn)了一種無線智能門鎖控制系統(tǒng)。該門鎖可以借助智能手機通過串口藍牙模塊或Wi-Fi模塊進行控制，具有智能上鎖、遠程上鎖、無法及時開鎖、關(guān)門檢測等功能，它可以極大地提高門鎖的安全性、可靠性、方便性和智能化，對保障人們的生命和財產(chǎn)安全有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：智能門鎖;“互聯(lián)網(wǎng)+”;STC8單片機;ESP8266

中圖分類號：TP273;TP368.2? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0038-04

Abstract：In order to enhance the safety of door locks，on the basis of traditional door locks，a smart door lock control system based on the “internet plus” is designed. With STC8 as the core，the system extends the door closing detection，stepping motor，Bluetooth and Wi-Fi wireless interface，and realizes a wireless intelligent door lock control system. The door lock can be controlled by Bluetooth or Wi-Fi device of smart phone. It has the functions of intelligent locking，remote locking，non technical unlocking and door closing detection. It can greatly improve the safety，reliability，convenience and intellectualization of the door lock，and it is great significance to protect people's life and property safety.

Keywords：intelligent door lock;“internet plus”;STC8 microcontroller;ESP8266

0? 引? 言

門鎖是與人們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最為緊密的物品之一，它對保護人們的生命和財產(chǎn)安全有著極其重要的意義。近年來，因鑰匙丟失、技術(shù)開鎖等原因造成的刑事案件屢見不鮮，除了門鎖本身的安全性和可靠性之外，該類案件的發(fā)生主要是因為當事人的忽略，以及門鎖不具備智能上鎖或者報警提示的功能導(dǎo)致的。同時，隨著社會的發(fā)展、科技的進步，人們對門鎖的安全性、可靠性、便捷性等要求也越來越高，傳統(tǒng)機械門鎖的安全性已經(jīng)越來越不能滿足人們的需求。為了提高門鎖的安全性、可靠性，提高其智能化程度，本文作者采用STC8單片機、藍牙和Wi-Fi、步進電機等模塊設(shè)計了一種無線智能門鎖控制系統(tǒng)，該門鎖是在原有門鎖的基礎(chǔ)上又增加的第二道“智能生命防線”，它具有智能上鎖、遠程上鎖、無法被技術(shù)開鎖、門未關(guān)好報警提示等功能，可以通過智能手機或機械鑰匙開鎖、閉鎖等操作。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能門鎖控制系統(tǒng)采用宏晶科技公司最新生產(chǎn)的STC8單片機（STC8A8K64S4）為核心，以“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)為依托，擴展了Wi-Fi模塊（ESP8266）、串口藍牙模塊（CC25 41）、步進電機、機械鑰匙分離裝置、關(guān)門檢測等模塊設(shè)計而成的。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

STC8單片機通過Wi-Fi模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)中，智能手機可通過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)上鎖、開鎖等操作，智能手機也可以通過串口藍牙模塊實現(xiàn)同樣的功能。關(guān)門檢測采用的是鐵感應(yīng)接近開關(guān)，當門完全閉合時，感應(yīng)接近開關(guān)檢測到門框上的鐵質(zhì)材料而輸出關(guān)門信號，此時門鎖上鎖，當在設(shè)定的時間內(nèi)沒有檢測到關(guān)門信號時，報警器發(fā)出報警信號，同時單片機通過互聯(lián)網(wǎng)向綁定的手機推送門未鎖好的信息。智能手機通過Wi-Fi模塊或串口藍牙模塊和STC8單片機通信時采用3DES加密算法對數(shù)據(jù)進行加密，單片機檢測開鎖信號的合法性，檢測到合法的開鎖信號后才會驅(qū)動步進電機工作，帶動齒輪轉(zhuǎn)動打開門鎖。為了防止系統(tǒng)停電等原因造成智能手機無法開鎖，在門鎖機械鑰匙之間設(shè)計了一個電磁分離裝置，系統(tǒng)正常工作時，單片機控制電磁分離裝置使得機械鑰匙和門鎖分離，從而使機械鑰匙失效，若系統(tǒng)停電，電磁分離裝置在彈簧的作用下自動復(fù)位，使得機械鑰匙恢復(fù)開門功能。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)電源設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的步進電機可能需要較大的電流，電源模塊采用的是MP1584大電流穩(wěn)壓模塊，MP1584具有4.5 V ～28.0 V的寬輸入電壓，它可以輸出高達3 A的電流，此處，它把12.0 V電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5.0 V電源，供給STC8單片機、步進電機、藍牙模塊等，但Wi-Fi模塊（ESP8266）需要3.3 V工作電壓，因此，采用一個3.3 V的REG-1117電源模塊把5.0 V電壓再轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，給Wi-Fi模塊供電。系統(tǒng)電源設(shè)計原理圖如圖2所示。

2.2? 系統(tǒng)主控電路及Wi-Fi模塊接口設(shè)計

系統(tǒng)主控模塊采用的STC8單片機STC8A8K64S4進行設(shè)計的，STC8A8K64S4是宏晶科技公司最新開發(fā)的超高速8051單片機，它內(nèi)部有8 K RAM，64 K Flash，4個串行口，12位ADC等豐富資源，并在內(nèi)部集成了高精度的晶振電路，ISP編程時5 MHz～30 MHz范圍可設(shè)置，具有速度快、功耗低、抗干擾、資源模塊豐富、性價比高、設(shè)計方便等優(yōu)點，可用在智能控制、智能儀器儀表等應(yīng)用場合。該單片機工作電壓為2.0 V～5.5 V，并有多種封裝可選，此處采用的是LQFP48引腳的封裝，5.0 V工作電壓。系統(tǒng)主控電路及無線模塊接口原理圖如圖3所示。

STC8單片機通過串行口3連接Wi-Fi模塊ESP8266，通過串行口2連接藍牙模塊。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透傳模塊，它具有超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。此處ESP8266工作在STA+AP模式，ESP8266既可以通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，也可以作為無線接入點，實現(xiàn)與智能手機的互聯(lián)。Wi-Fi模塊主要用于通過互聯(lián)網(wǎng)和智能手機連接，而藍牙模塊主要是實現(xiàn)與智能手機的點對點連接。圖3中的電阻R1、R2、R3是為了實現(xiàn)單片機5.0 V電平和Wi-Fi模塊3.3 V電平接口而設(shè)置的，如果STC8單片機的I/O口配置在準雙向口模式，則該三個電阻可以省去。

在圖3中D1、D2為2個LED狀態(tài)指示燈，可以用來指示系統(tǒng)的工作狀態(tài);按鍵KEY1接在STC8單片機的P3.2引腳，該按鍵可用做在屋內(nèi)開鎖的開關(guān)，在門鎖關(guān)閉的情況下，按下此開關(guān)可以實現(xiàn)開鎖，并且該按鍵的功能可通過智能手機軟件進行屏蔽，進一步增加了系統(tǒng)的安全性、方便性和靈活性。STC8單片機的P3.3口接關(guān)門檢測的鐵感應(yīng)接近開關(guān)，如果門沒有鎖好，它會向STC8單片機輸出低電平信號。STC8單片機定時檢測P3.3口是否有關(guān)門信號，如果在用戶設(shè)定的時間內(nèi)沒有檢測到關(guān)門信號，則STC8單片機驅(qū)動報警器發(fā)出報警信號，同時，通過網(wǎng)絡(luò)向用戶綁定的手機推送門未鎖好的提示信息。

2.3? 系統(tǒng)步進電機設(shè)計

控制門鎖開關(guān)的步進電機采用的是4相5線減速步進電機24BYJ，使用ULN2003驅(qū)動，STC8單片機的P1.3～P1.6四個I/O口通過ULN2003驅(qū)動步進電機。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓晶體管陣列，它工作電壓高，工作電流大，可以驅(qū)動蜂鳴器、繼電器、步進電機等大電流器件。采用步進電機除了計步準確之外，還一個好處是如果門鎖的主控電子芯片受到人為強電場的干擾等原因而損壞，沒有了主控芯片的控制步進電機是不會自動轉(zhuǎn)動的，因而也不會自動打開門鎖。STC8單片機的P2.2口通過ULN2003驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警信號。P1.2口通過ULN2003產(chǎn)生SOUT信號驅(qū)動一個電磁分離裝置，該裝置主要用來分離門鎖的機械鑰匙，也就是說STC8單片機上電后在SOUT口輸出一個低電平，使得電磁分離裝置分離機械鑰匙孔上的齒輪，使得機械鑰匙無法開鎖;當系統(tǒng)停電時，電磁分離裝置上的彈簧會拉動鎖栓控制裝置復(fù)位，使得機械鑰匙功能恢復(fù)正常，用戶可以使用機械鑰匙打開門鎖。系統(tǒng)步進電機驅(qū)動原理圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括門鎖控制下位機軟件設(shè)計和智能手機端APP設(shè)計，這里主要論述門鎖控制下位機軟件設(shè)計流程，下位機主要在Keil C開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫，并把3DES算法移植到STC8單片機中。

如果系統(tǒng)停電或者系統(tǒng)嚴重故障，則電磁分離裝置在彈簧的作用下自動復(fù)位，機械鑰匙自動恢復(fù)開門功能。如果系統(tǒng)上電正常，則進行系統(tǒng)自檢及系統(tǒng)初始化工作，STC8單片機從EEPROM中讀取系統(tǒng)的各種參數(shù)信息并進行初始化工作。系統(tǒng)初始化完成之后，STC8單片機通過串行口3和Wi-Fi模塊連接，并通過Wi-Fi模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，STC8單片機通過串行口發(fā)送AT指令對Wi-Fi模塊進行配置。首先使用AT指令把模塊配置成STA模式，并設(shè)置模塊要加入的路由信息，如路由器名稱及秘密等，為了保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性，此處Wi-Fi模塊和路由器之間配置為TCP連接方式，之后Wi-Fi模塊進入透傳模式，等待用戶從網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的命令。STC8單片機和Wi-Fi模塊之間的數(shù)據(jù)通信是以包為單位的，一包數(shù)據(jù)包括：包頭、數(shù)據(jù)長度、命令字及CRC校驗。STC8單片機的串行口3一直處于中斷接收狀態(tài)，一旦檢測到串行口輸入數(shù)據(jù)，則進入串行口3中斷服務(wù)子程序，如果檢測到數(shù)據(jù)包頭0xAA，則再連續(xù)接收2個字節(jié)的數(shù)據(jù)包長度，之后根據(jù)數(shù)據(jù)包的長度，在規(guī)定的時間內(nèi)接收數(shù)據(jù)及CRC校驗。

系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)成功之后，首先檢測關(guān)門傳感器的返回信號是否正常，如檢測到關(guān)門信號不正常（即門未安全關(guān)門），系統(tǒng)即通過報警器發(fā)出報警信號，并通過互聯(lián)網(wǎng)把報警信號推送到綁定的智能手機。當系統(tǒng)檢測到關(guān)門檢測傳感器信號正常之后就會實時檢測通過Wi-Fi模塊或串口藍牙模塊傳回來的3DES加密信號，如檢測到合法的信號，STC8單片機就會調(diào)用DES Decrypt函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解密，并從解密后的數(shù)據(jù)中分離出命令碼，根據(jù)命令碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，如開鎖、閉鎖、參數(shù)設(shè)置等。下位機軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

4? 結(jié)? 論

本設(shè)計在傳統(tǒng)機械門鎖的基礎(chǔ)上增加了智能檢測功能，并通過“互聯(lián)網(wǎng)+”實現(xiàn)一種智能門鎖控制系統(tǒng)，“互聯(lián)網(wǎng)+”智能門鎖是未來鎖業(yè)發(fā)展的必然趨勢，它可以極大地提高門鎖的安全性、可靠性、方便性和智能化程度。該類門鎖系統(tǒng)在保障人們的生命和財產(chǎn)安全、減少因門鎖安全造成的各種刑事案件的發(fā)生等方面所帶來的間接經(jīng)濟效益更是無法估算的。因此，該智能門鎖的研發(fā)和推廣應(yīng)用有較高的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：常國權(quán)（1973—），男，漢族，河南清豐人，副教授，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)。